可「搭便車」的鮣魚仿生機器人誕生了,未來將應用於海洋生物探測等領域

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 02 日 8:45 | 分類 3D列印 , 機器人 , 自然科學 follow us in feedly

近幾年來,海底 AI 革命的火熱爆發促使海內外出現各式各樣的水下仿生機器人,它們在海洋世界裡各顯神通。



著名紀錄片《動物世界》曾拍攝到一種海洋生物──被稱為「吸盤魚」的䲟魚,憑著嘴部吸盤可吸附在鯨類、鯊魚和海龜腹部,即使宿主快速游動,䲟魚還是能牢牢附著而不脫落。

觀看紀錄片之際,並沒有想到這居然會成為今天䲟魚仿生機器人的模板。據了解,近日,由北京航空航天大學、哈佛大學和波士頓大學聯合啟動一項科研計畫,利用 3D 列印技術製作䲟魚仿生機器人,來幫助研究海洋生物。最近一期《科學‧機器人學》(Science Robotics)雜誌報導了相關研究成果

目前,水下機器人的研發有個難題──很難在水裡完成自主抓取的任務。以䲟魚為模板的水下仿生機器人,為解決這個難題打開了新的思路,因為透過順勢吸附完成抓取。

 䲟魚仿生機器人的構造

這款水下機器人具備䲟魚與吸盤兩部分,研究團隊利用 3D 列印和雷射切割技術設計出這款仿生機器人。其中,最精巧複雜的部分就是魚頭部位的吸盤。魚頭吸盤由 3 部分組成:

吸盤外周的唇圈,由柔性肌原纖維組成,主要產生負壓;

吸盤內部的硬質鰭片結構,外表包裹厚度約 500 微米的軟組織,可由肌肉驅動產生法向微動;

鰭片上的錐狀小刺結構,底部直徑約 200 微米,頂端為 1~5 微米。內部有 2,000 個微型小刺,按照附著面凹或凸,進而讓吸盤吸附在各種海洋生物的體表。

據了解,課題組和哈佛大學 Robert Wood 實驗室一起闖關,藉助高精度雷射加工技術,加工出尺度、形狀都和真實䲟魚結構高度近似的硬質小刺,並嵌入複合材料的樣機鰭片。

除此之外,為了讓䲟魚仿生機器人在水裡動起來,課題組還製作了輕量化、防水的纖維增強軟體直線驅動器,達到䲟魚吸盤內部鰭片微動,幅度約為 150 微米。

(Source:Science Robotics

課題組做出的仿生䲟魚軟體吸盤機器人樣機,能在光滑表面產生相當自重約 340 倍、粗糙表面自重約 100 倍的吸附力。

鮣魚仿生機器人研發成功之前,文力教授曾經帶領團隊研發「軟體章魚觸手機器人」。今年 3 月,北航 ITR 軟體機器人實驗室與國際著名機器人與自動化公司 FESTO 合作研製發表「軟體章魚觸手機器人」,並在漢諾威工業展獲得德國總理梅克爾的青睞。這種機器人能為不同形狀、大小的物體完成安全無損和有力的抓取,突破了剛性機器人的部分先天缺陷。

水下仿生機器人應用前景廣闊

主導研發這項仿生機器人的文力教授表示,「這種『搭便車』行為最大的優點,就是能有效減少運動消耗的能量。」

「透過將仿生樣機整合到水下機器人,達到類似魚的游動-吸附-脫離。這項研究工作不但從生物力學角度揭示魚的吸附機制,同時為未來的低功耗水下仿生軟體機器人、水下吸附裝置提供新思考。」文力教授說,基於生物體機制,這種機器人雖然吸附力可觀,卻不會破壞吸附表面。此項應用在軍民領域都有良好前景,如國防科技、水下救援、海洋生態檢測等方面,可發揮重要作用。

水下仿生機器人,彷彿是人類探索未知海洋領域的另一雙手臂。由於水下機器人的工作區是在水中,所以市面產品也基本都採仿生技術設計。據了解,水下機器人由於具高效的推進性能、良好的隱身性能以及操縱性能,有廣闊的應用前景。

民用方面,能應用於海洋環境研究、海洋資源探測及開發、海洋援潛救生等,也可以當成電子寵物或智慧玩具進入一般家庭。

軍用方面,可用於戰時偵察、收集情報、潛艇戰與反潛戰,同時也可以做為高性能的智慧化武器或武器平台,直接用於襲擊和破壞敵軍港口、水下偵察系統、艦船、海上運輸線等。

除此之外,水下仿生機器人也是一種新興的水下運載器,為機械、電子、材料、能源等硬體的研製及單關節機器魚控制演算法、多關節機器魚協調控制等軟體的開發提供全新平台。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:Flickr/Elias Levy CC BY 2.0)